ВЕРИФИКАЦИЯ CFD-TFM МОДЕЛИ ПСЕВДООЖИЖЕННОГО СЛОЯ КАТАЛИЗАТОРА ПРОЦЕССА ФИШЕРА-ТРОПША
Авторы:
1.
Казанский национальный исследовательский технологический университет
2.
КНИТУ
3.
КНИТУ
4.
КНИТУ
5.
КНИТУ
6.
Казанский национальный исследовательский технологический университет
Россия
Россия
Тип:
Статья
Страницы:
с 153
по 158
Статус:
Опубликован
Получено:
14.02.2026
Одобрено:
03.03.2026
Опубликовано:
05.04.2026
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
ПРОЦЕСС ФИШЕРА-ТРОПША, ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ СЛОЙ, ДВУХЖИДКОСТНАЯ МОДЕЛЬ, МЕТОД ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА
Финансирование:
Работа выполнена в рамках государственного задания «Молекулярный дизайн катализаторов с применением искусственного интеллекта», соглашение № 075-00021-26-00 от 12.01.2026.
Аннотация:
Процесс Фишера-Тропша (ФТ) представляет собой каталитическую реакцию полимеризационного типа, позволяющую получать синтетические углеводороды из монооксида углерода и водорода. Данный процесс является перспективным методом переработки альтернативного углеродного сырья - природного газа, угля, биомассы - в моторные топлива и высокочистые химические продукты, включая олефины и оксигенаты (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты). Эффективная промышленная реализация процесса ФТ требует применения реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора, обеспечивающих интенсивный тепломассообмен и возможность организации циркуляции частиц катализатора. Однако гидродинамика таких аппаратов сложна для прогнозирования при масштабировании, а натурные эксперименты дорогостоящи, что обусловливает необходимость развития численных методов. В работе выполнена верификация двухжидкостной модели (CFD-TFM) псевдоожиженного слоя катализатора ФТ путем сопоставления с результатами CFD-DEM моделирования, принятого в качестве эталонного. На основе результатов CFD-DEM моделирования определены значения эмпирических параметров замыкающих соотношений кинетической теории гранулярного потока: предел упаковки (0.63), фрикционный предел упаковки (0.6), угол внутреннего трения (30°) и коэффициент восстановления при ударе частиц катализатора (0.89). Для коррекции межфазного взаимодействия, обусловленной различиями в учете полидисперсности частиц катализатора, потребовалось введение эмпирической константы сопротивления (0.225 от модели Гидаспова). Сравнительный анализ показал, что TFM-модель завышает гидравлическое сопротивление слоя на ~25 Па относительно DEM и не воспроизводит флуктуации давления из-за континуального приближения слоя частиц. Поведение твердой фазы в TFM характеризуется большей «вязкостью», что указывает на необходимость уточнения фрикционных моделей. Несмотря на требуемые уточнения, разработанная TFM-модель обеспечивает приемлемую точность расчета гидравлического сопротивления и качественно верное воспроизведение гидродинамики слоя. Основное преимущество - существенно меньшая вычислительная стоимость по сравнению с DEM, что позволяет перейти к моделированию более крупных сегментов реактора. Также это позволит более просто ввести учет кинетики процесса ФТ, имеющего полимеризационный характер, при моделировании промышленных аппаратов.
Процесс Фишера-Тропша (ФТ) представляет собой каталитическую реакцию полимеризационного типа, позволяющую получать синтетические углеводороды из монооксида углерода и водорода. Данный процесс является перспективным методом переработки альтернативного углеродного сырья - природного газа, угля, биомассы - в моторные топлива и высокочистые химические продукты, включая олефины и оксигенаты (спирты, альдегиды, кетоны, кислоты). Эффективная промышленная реализация процесса ФТ требует применения реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора, обеспечивающих интенсивный тепломассообмен и возможность организации циркуляции частиц катализатора. Однако гидродинамика таких аппаратов сложна для прогнозирования при масштабировании, а натурные эксперименты дорогостоящи, что обусловливает необходимость развития численных методов. В работе выполнена верификация двухжидкостной модели (CFD-TFM) псевдоожиженного слоя катализатора ФТ путем сопоставления с результатами CFD-DEM моделирования, принятого в качестве эталонного. На основе результатов CFD-DEM моделирования определены значения эмпирических параметров замыкающих соотношений кинетической теории гранулярного потока: предел упаковки (0.63), фрикционный предел упаковки (0.6), угол внутреннего трения (30°) и коэффициент восстановления при ударе частиц катализатора (0.89). Для коррекции межфазного взаимодействия, обусловленной различиями в учете полидисперсности частиц катализатора, потребовалось введение эмпирической константы сопротивления (0.225 от модели Гидаспова). Сравнительный анализ показал, что TFM-модель завышает гидравлическое сопротивление слоя на ~25 Па относительно DEM и не воспроизводит флуктуации давления из-за континуального приближения слоя частиц. Поведение твердой фазы в TFM характеризуется большей «вязкостью», что указывает на необходимость уточнения фрикционных моделей. Несмотря на требуемые уточнения, разработанная TFM-модель обеспечивает приемлемую точность расчета гидравлического сопротивления и качественно верное воспроизведение гидродинамики слоя. Основное преимущество - существенно меньшая вычислительная стоимость по сравнению с DEM, что позволяет перейти к моделированию более крупных сегментов реактора. Также это позволит более просто ввести учет кинетики процесса ФТ, имеющего полимеризационный характер, при моделировании промышленных аппаратов.
Ключевые слова:
ПРОЦЕСС ФИШЕРА-ТРОПША, ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ СЛОЙ, ДВУХЖИДКОСТНАЯ МОДЕЛЬ, МЕТОД ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА
ПРОЦЕСС ФИШЕРА-ТРОПША, ПСЕВДООЖИЖЕННЫЙ СЛОЙ, ДВУХЖИДКОСТНАЯ МОДЕЛЬ, МЕТОД ДИСКРЕТНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ГИДРОДИНАМИКА
